中缝背核（DRN）中的5-羟色胺（5-HT）神经元接收多种长程输入，但该核团局部回路的组织原则及其潜在的计算机制在很大程度上仍是未知的。

基于此，2025年4月3日，加拿大渥太华大学细胞与分子医学系Jean-Claude Béïque 研究团队在Nature neuroscience杂志发表了“Nonlinear recurrent inhibition through facilitating serotonin release in the raphe”，表明在中缝核中，通过促进5-羟色胺释放实现的非线性递归抑制是一种复杂的神经调节机制。这种机制揭示了5-HT神经元之间存在由5-HT1A受体介导的独特递归连接，这些连接并非如传统理论所述产生自抑制作用，而是展现出一系列独特的特性。

通过研究来自外侧缰核（LHb）的输入对小鼠DRN的处理特性，揭示了5-HT神经元之间由5-HT1A受体介导的递归连接，这反驳了传统的自抑制理论。通过细胞电生理学和基因编码的5-HT sensor成像，发现这些递归抑制连接遍布中缝核，具有缓慢、随机、强易化的特点，并调控动作电位输出。这些特性共同赋予该网络高度非线性的动力学特征，在体内实验中，通过光遗传学激活LHb到DRN的输入，在预测这些计算发生的频率下，短暂破坏了听觉条件反射任务中奖励条件反应的表现。综上所述，这些数据揭示了一种核心计算机制依赖于一个慢速5-HT递归抑制网络。

图一 LHb向DRN的兴奋性单突触输入会引发频率依赖性的间接抑制

首先通过使用腺相关病毒表达绿色荧光蛋白（GFP）在LHb中显示，LHb轴突广泛支配DRN的腹内侧部分。进一步通过将携带ChR2(H134R)-mCherry的AAV注入SERT-Cre::tdTom小鼠的LHb并进行光遗传学刺激，发现这种刺激能诱导出类似于电流步骤注射时观察到的动作电位。在电压钳模式下对基因标识的5-HT神经元进行记录时，光刺激LHb轴突触发了具有AMPA受体和NMDA受体介导成分的兴奋性突触后电流（EPSCs）。这些由LED诱导的EPSCs可以被河豚毒素（TTX）阻断并通过钾通道阻滞剂4-AP恢复，表明LHb与5-HT神经元之间存在单突触接触并能够驱动其产生动作电位。高频率（如10Hz或20Hz）的光刺激LHb轴突会触发一个持续数百毫秒的延迟外向电流，这表明可能涉及G蛋白耦合的内向整流钾（GIRK）通道，并且应用5-HT1AR拮抗剂WAY-100635消除了这种外向电流，但不影响光诱导的EPSCs。总之，这些结果表明LHb对DRN 5-HT神经元的输入首先触发快速的单突触谷氨酸能介导的兴奋，随后是较慢的、由5-HT1A受体介导的抑制。这一机制揭示了LHb如何通过复杂的信号传导影响5-HT系统，特别是在处理负面奖励预测错误、抑郁或压力等情况下。

图二 中缝核中的5-HT神经元被组织在一个反复循环的抑制性网络中

经典的5-HT1A受体（5-HT1AR）自受体模型认为，单个5-HT神经元在放电时通过树突释放5-HT或轴突侧支激活其自身的5-HT1A自受体，从而限制自身的兴奋性。然而，LHb输入的刺激在非放电、电压钳制的5-HT神经元中触发了5-HT1AR介导的外向电流，甚至在未接收功能性LHb兴奋性输入的5-HT神经元中也观察到类似现象。为验证自分泌自受体假说与DRN中5-HT神经元是否构成递归抑制网络的替代假说，进行了进一步实验。结果显示，在单个5-HT神经元中，诱发的动作电位并未通过5-HT1AR介导的自受体作用影响其后的超极化（AHP），而是完全由小电导Ca²⁺激活钾通道介导。此外，电压钳实验表明，长时间去极化引发的强外向电流对钾通道阻断剂apamin敏感，但对5-HT1AR拮抗剂WAY-100635不敏感，反驳了5-HT1AR的自分泌功能。为探索DRN中5-HT神经元之间的递归网络，在SERT-Cre::tdTom小鼠中表达Cre依赖的AAV-ChETA-YFP并通过光遗传学刺激发现，即使在非ChETA表达的5-HT神经元中，光刺激也能触发缓慢、延迟且强整流的外向电流，这些电流可被TTX和WAY-100635阻断，表明DRN中存在5-HT神经元递归抑制网络。进一步的空间连接分析显示，背侧和腹侧DRN注射荧光右旋葡聚糖示踪剂后标记的神经元分布具有显著差异，提示子模块特异性的空间连接特征。最后量化了5-HT1AR介导的递归连接释放动力学，发现其外向电导在光刺激结束后约400毫秒达到峰值，缓慢衰减，并几乎线性随光刺激脉冲数增加而增强，表明内源性5-HT连续激活后5-HT1AR耦合GIRK通道的脱敏有限。这些结果揭示了DRN中5-HT递归抑制网络的时间进程和空间特性。

图三 中缝背核中5-HT释放的突触易化动力学和空间结构

接下来利用双光子（2P）成像技术探索了体外切片中DRN内5-HT释放的空间特征，使用的是基因编码的5-HT sensor绿色荧光G蛋白偶联受体激活基础（GRAB）5-HT（GRAB5-HT2M34），它选择性地在5-HT神经元中表达。通过浴应用50 µM的5-HT，观察到神经突和细胞体中的GRAB5-HT荧光明显增加，这作为GRAB5-HT表达和整体功能的阳性对照。为了研究电刺激对5-HT释放的影响，在不同频率（5-20 Hz；八个脉冲，类似于上述条件）下电刺激DRN切片中的5-HT连接，直接触发终端5-HT释放。随着电刺激频率的增加，手动标注反应区域并观察到荧光响应呈现非线性增长。GRAB5-HT介导的荧光对TTX敏感，表明电诱导的释放事件是由动作电位驱动的，进一步支持了先前全细胞记录揭示的5-HT释放促进动力学变化，并提示这种现象的前突触定位。随着刺激频率的增加，GRAB5-HT介导的荧光不仅绝对强度增加，而且逐渐集中在成像帧内的热点区域。GRAB5-HT荧光与tdTomato信号之间显示了较弱的整体相关性，可能反映了生物传感器缺乏强烈的胞体信号。全帧分析表明，GRAB5-HT荧光响应在空间上是受限的，为了以系统的方式量化这些热点的空间特征，接着计算了每个刺激频率下的GRAB5-HT全帧响应的空间自相关。随着频率的增加，空间自相关函数变得更宽，提供了热点大小的度量。随着刺激频率的增加，面积也更大。这些数据表明，GRAB5-HT荧光显示出空间局部化的热点，其面积和强度均随刺激频率增加而扩展，这与促进性5-HT释放一致。

图四 习得的线索奖赏关联受LHb到DRN的驱动的条件性调节

为了进一步探讨DRN中非线性计算的行为表现，设计了一个实验来研究通过激活LHb-中缝核通路在不同输入频率下触发的计算如何影响行为。在经典条件反射任务中，奖励预期的内部状态可以导致可测量的运动输出，例如线索后的预期舔舐行为。已知这些舔舐行为的时间动态会受到5-HT活动的调节，并与局部回路的网络结构和突触释放动力学相关。为此，开发了一种头部固定的经典条件反射任务，在此任务中可以光遗传学地操控LHb对DRN的输入，同时监测舔舐行为。小鼠在经过水分剥夺后，接受了基于听觉的经典条件反射训练，该范式包含三种可能的奖励结果（大奖励、小奖励和无奖励）。经过训练的小鼠表现出显著的线索驱动的预期舔舐行为，这是一种条件反射反应，表明它们已经习得了刺激-奖励关联。在实验中，在交错试验的线索后期间以不同频率（低频：5 Hz；高频：20 Hz）光遗传学刺激habenulo–raphe通路。生理学和建模分析表明，低频刺激主要引发直接兴奋，而高频刺激则触发递归抑制。实验结果显示，在大奖励试验中，低频（5 Hz）光遗传学刺激对预期舔舐没有影响，而高频（20 Hz）光刺激引发了快速且显著的舔舐减少，这种减少在刺激结束后迅速恢复。相比之下，在小奖励试验中，无论是20 Hz还是5 Hz的光刺激均未显著调节预期舔舐行为；在无奖励试验中，5 Hz光刺激在听觉线索后引发轻微但有时明显的舔舐增加，而20 Hz光刺激则未观察到类似效应。值得注意的是，基线预期舔舐水平与高频光刺激效应大小之间存在正相关关系，表明通路激活对奖励预期的影响是除法性的而非减法性的。此外，20 Hz和5 Hz刺激对预期舔舐的效应大小之间没有明显关系。

总结

研究表明，这项研究不仅深化了对5-HT系统在行为调节中的作用的理解，而且为未来的神经科学研究提供了新的工具和理论框架，特别是在探索大脑如何执行复杂计算以支持适应性行为方面。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41593-025-01912-7